Жилые дома с автономным солнечным теплохладо - снабжением
ПОСЛЕСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
В книге С. Танака, Р. Суда "Жилые дома с автономным солнечным теплохладо- снабжением" кратко, но достаточно четко представлены большинство разработанных в настоящее время устройств, позволяющих за счет солнечного излучения (в некоторых случаях полностью, а иногда частично в зависимости от климатических условий) обеспечить жилой дом теплом и горячей водой. В предлагаемом читателю послесловии редактор перевода посчитал необходимым дополнить книгу сведениями о некоторых современных исследованиях, которые могут в ближайшем будущем оказаться чрезвычайно перспективными для архитекторов, проектировщиков, конструкторов, строителей солнечных жилых домов.
Авторы упоминают о селективных оптических покрытиях, поглощающих почти весь поток падающего солнечного излучения и одновременно превращающих солнечный коллектор в устройство, практически не излучающее тепло. Возможность создания таких покрытий основана на том счастливом для разработчиков солнечных коллекторов факте, что спектр падающего солнечного излучения не совпадает со спектром собственного теплового излучения поверхности коллектора при характерных для него рабочих температурах 40-80 С. Спектр наземного солнечного излучения охватывает интервал длин волн от 0,3 до 2,5 мкм, а спектр собственного теплового излучения коллектора — от 2,5 до 40 мкм. Исследователи получили тем самым теоретическую возможность создавать поверхности, которые в одной области спектра были бы черными, поглощающими солнечное излучение, а в другой - белыми, весьма слабо излучающими. Практические достижения в этой перспективной области науки оказались впечатляющими — экспериментаторам удалось создать покрытия, сообщающие поверхности коллектора способность поглощать солнечное излучение почти на 95% и в то же время излучать в инфракрасной области собственного теплового излучения не более 4—5%. Пластины с такими покрытиями, как показали эксперименты, выполненные в лаборатории автора этих строк, способны в вакууме при отсутствии других видов тепловых потерь нагреться от лампы-имитатора солнечного излучения без концентраторов до температур 350—400°С, без подвода энергии в какой-либо другой форме, кроме однократного светового потока.
Естественно, что из этих опытов вытекает желание использовать селективные покрытия, обеспечивающие значение отношения коэффициента поглощения к коэффициенту излучения, превышающее 20, в вакуумированных трубчатых коллекторах, где конвективные потери практически отсутствуют, поскольку поглощающая солнечное излучение поверхность внутренней трубки отделена от внешней прозрачной стеклянной трубки вакуумированным промежутком. К тому же в коллекторах подобной конструкции эффективные селективные покрытия, состоящие, как правило, из нескольких слоев весьма тонких оптических пленок (толщиной от 0,01 до 0,1 мкм), защищены стеклянной оболочкой от неблагоприятного воздействия влаги и кислорода воздуха.
Многочисленные эксперименты показали, что именно такие вакуумирован - ные коллекторы с оптическими селективными покрытиями позволяют нагревать теплоносители - воду или антифриз (даже при достаточно больших скоростях их прохождения по внутренним каналам коллектора) до температур 80—90°С, что делает возможным применение в жилом доме не только системы солнечного отопления и горячего водоснабжения, но и системы кондиционирования на основе, например, адсорбционных холодильных машин с хладагентом, имеющим подходящую температуру испарения.
Весьма перспективна также разработка солнечных систем, где вакуумирован - ные коллекторы будут работать в сочетании с тепловыми насосами, кратко описанными в книге. Ведь вокруг любого жилого дома имеется значительное количество низкопотенциального тепла (тепло воздуха, тепло поверхностных и более глубоких слоев земли, тепло рек, морей, озерных водоемов), которое не удается использовать для энергоснабжения из-за слишком низкого уровня температур. Поднять такой уровень помогают тепловые насосы.
Тепловой насос представляет собой холодильную машину, совершающую обратный цикл. Хладагент, например фреон или аммиак, циркулирует в замкнутом цикле, включающем в себя компрессор. С помощью редукционного (или дросселирующего) клапана теплоноситель в горячей части цикла (в конденсаторе) поддерживается при повышенном давлении, а в холодной части (в испарителе) — при пониженном. При сжатии температура теплоносителя повышается и он сжимается, отдавая тепло, например, в помещение жилого дома. Проходя через дросселирующий клапан, теплоноситель быстро сбрасывает температуру и испаряется, отбирая тепло от окружающей среды, от источника низкопотенциального тепла.
Насосов, как показывают расчеты, может составить 4,8. Это означает, что при мощности компрессора 1 кВт переданная тепловая мощность составит 4,8 кВт.
Исследования показали, что солнечный коллектор, особенно трубчатый ваку - умированный, может быть использован при работе теплового насоса дома в качестве испарителя, а в бак-аккумулятор может быть помещен теплообменник, в котором будет происходить конденсация хладагента и тем самым нагрев содержимого бака-аккумулятора.
Для работы компрессора теплового насоса необходима электрическая энергия (как и для устройств дома, например для электробытовых приборов). Источником электроэнергии для таких потребителей внутри жилого дома могут служить солнечные батареи, представляющие собой набор последовательно или параллельно соединенных тонких (толщиной 0,3—0,4 мкм) полупроводниковых пластинок с электронно-дырочными переходами внутри, получивших название солнечных элементов. При ярком солнечном освещении солнечные батареи площадью 30 м' способны генерировать не менее 3 кВт электрической мощности, которая частично может идти на питание компрессора теплового насоса и электробытовых приборов, частично — на подзарядку электрохимических аккумуляторов, используемых для получения электроэнергии в темное время суток.
Таким образом, ученым и инженерам удалось найти ряд технических решений, позволяющих эффективно преобразовывать солнечное излучение в наиболее удобные для практического использования формы энергии — электрическую и тепловую. При современном уровне разработки полупроводниковых солнечных элементов, тепловых солнечных коллекторов, тепловых насосов, селективных оптических покрытий и теплоизоляционных материалов могут быть созданы полностью энергетически автономные жилые дома, которые будут надежно эксплуатироваться в течение десятков лет как в обжитых и освоенных, так и в самых отдаленных и труднодоступных районах земного шара. В связи с этим возникает важный вопрос, от ответа на который зависит будущее солнечных домов с комбинированной энергетической установкой электро - и теплоснабжения: будут ли такие дома экономически выгодны и способны ли они окупить затраты на их постройку эа время эксплуатации? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо прежде всего оценить стоимость наиболее дорогостоящего элемента энергетически автономных солнечных домов — полупроводниковой солнечной батареи.
Еще совсем недавно — 10 или 15 лет назад — солнечная батарея площадью 1 м, генерирующая при ярком солнечном освещении около 100 Вт электрической мощности, стоила 5-10 тыс. дол. (50 дол. за 1 Вт пиковой мощности!*). Пиковой в данном случае значит максимальной, производимой при самых благоприятных условиях, наибольшей освещенности и невысокой температуре. Конечно, столь дорогие, хотя и очень удобные источники электроэнергии можно было применять только на борту космических аппаратов, заполненных еще более ценными приборами и электронной аппаратурой. За последние 10-15 лет разработчики солнечных батарей добились больших успехов в трудном деле снижения стоимости солнечных батарей. Резко уменьшились цены на исходные полупроводниковые материалы, была улучшена и в значительной степени автоматизирована технология изготовления солнечных элементов, существенно производительнее стал процесс сборки отдельных элементов в солнечные батареи, найдены защитные прозрачные материалы, позволяющие герметизировать батареи, предохранить их от воздействия неблагоприятных внешних факторов и обеспечить 20—30-летний срок их безотказной работы.
В настоящее время стоимость 1 Вт пиковой мощности, генерируемой наземными солнечными батареями, оценивается в 5 дол. Если учесть среднее число часов солнечного сияния в тех местностях, где предполагается строить солнечные дома, считать реальным 20-летний срок их эксплуатации, удвоить затраты на батарею из-за необходимости сделать надежной и прочной ее конструкцию, то стоимость 1 кВт-ч производимой сейчас такими батареями электроэнергии будет оцениваться в 30—35 центов, что лишь в несколько раз превышает цены на электроэнергию, получаемую от электростанций обычного типа.
Вполне обоснованные экономические прогнозы показывают, что переход к гонкопленочной технологии изготовления солнечных батарей, использование таких полупроводниковых материалов, как аморфный кремний или селенид Индия и меди, поглощающих все фотоактивное солнечное излучение при толщине материала всего 1-2 мкм (для поглощения солнечного света в обычных солнеч-
Здесь и далее цены в долларах, поскольку приводимые оценки основаны на зарубежных данных, однако экономические прогнозы советских специалистов, посвященные себе- •тоимости выпускаемых отечественных солнечных батарей (с некоторыми из которых можно 'ознакомиться, изучив публикации, приводимые в списке дополнительной литературы), в "сновном совпадают с зарубежными.
Ных элементах из монокристаллического кремния требуется слой полупроводника, в 100-150 раз более толстый), позволит к периоду после 1995 г. уменьшить стоимость 1 Вт пиковой мощности, генерируемой в наземных условиях солнечными батареями, до 0,5 дол. и соответственно стоимость 1 кВт-ч до 3-4 центов. Стоимость же электроэнергии, получаемой от электростанций, работающих на обычном ископаемом топливе — нефти или газе, может к этому времени даже возрасти, достигнув 25—30 центов эа 1 кВт. ч.
Таким образом, использование солнечных батарей станет не только технически, но и экономически выгодным. Учитывая экологическую чистоту этого источника электроэнергии, бесшумность его работы, отсутствие каких-либо вредных побочных отходов, уже в наши дни целесообразно применять солнечные батареи в экспериментальных проектах автономных электростанций и солнечных домов, приобретать архитектурный и конструкторский опыт создания зданий нового типа, накапливать данные длительной эксплуатации таких устройств в разнообразных климатических условиях.
В СССР начаты испытания отдельных систем, необходимых для создания таких домов с полностью автономным энергообеспечением.
В 1987 г. в Крыму, под Алуштой, вступила в строй экспериментальная база по использованию солнечной энергии Московского научно-исследовательского энергетического института имени Г. М.Кржижановского. В начале декабря 1987 г. в конференц-зале этой базы проходил первый научный семинар на тему Практика проектирования и эксплуатации систем солнечного тепло - и хладоснабжения", в котором участвовал и автор этих строк. Участники сс минара рассказывали о работе и показывали фотографии многих действующих нашей стране солнечных установок, но самое большое впечатление на участн» ков семинара произвело архитектурное и инженерное решение зданий саклй экспериментальной базы. Оба главных здания базы, спроектированных киевским архитектором Г. А.Хорхо - том, немного напоминают египетские пирамиды. Плоскости обоих зданий обращенные к югу, заполнены солнечными коллекторами из легких зачерченных алюминиевых панелей, оттеняющих другие поверхности зданий, покрытые плитами из белого камня. Коллекторы, площадь которых превышает 1100 м^, снабжают тепловой энергией напольно-потолочную систему отопления, обеспечивают здание горячей водой, обогревают бассейн с морской водой. В жаркие летние месяцы эффективное кондиционирование помещений осуществляется за счет использования морской воды в двухконтурной системе и применения больших холодильных агрегатов.
В том же году в Крыму, недалеко от Ялты, начал работать советско-чехословац - кий профсоюзный пансионат "Дружба". Для пансионата не нужна котельная, загрязняющая голубое небо и воздух Крыма дымом и несгоревшими твердыми частицами-взвесями. Все отопление и кондиционирование большого девятиэтажного цилиндрического здания пансионата обеспечивается теплонасосной установкой, разработанной специалистами "Союзкурортпроекта", расположенной в пьедестале-цоколе. Компрессоры теплонасосной установи, использующие электроэнергию, обеспечивают обычный холодильный цикл фреона. Работая зимой в обратном цикле, компрессоры повышают температуру закачиваемой в первичный контур установки морской воды с +6...7°С до +30°, а летом — уже в прямом холодильном цикле — охлаждают с ее помощью здание, поскольку на расстоянии 150—200 м от берега, где теплонасосная установка забирает морскую воду, температура воды даже в жаркие летние дни на сравнительно небольшой глубине не поднимается выше +15...16°С.
В 1989-1990 гг. в Краснодарском крае РСФСР, в поселке Черноморский, должны быть пущены в эксплуатацию солнечный поселок, включающий около 20 одно - и двухэтажных жилых домов, летний сад, сельскохозяйственный комплекс, очистные сооружения. На крышах всех этих зданий будут расположены полупроводниковые солнечные батареи из кремния, а в подвалах зданий установлены электрохимические аккумуляторы. Общая мощность автономных энергетических установок этого первого в СССР солнечного поселка, разрабатываемого научно-произ- водственным объединением "Квант", составляет более 400 кВт. Несколько домов поселка в 1987 г. уже приняли первых жильцов. Площадь крыши каждого из жилых домов - 50—70 м, в летний солнечный день она может отдавать электрическую мощность до 4-6 кВт.
Не вызывает сомнений, что в недалеком будущем мы окажемся свидетелями комбинации в жилых, общественных или административных зданиях всех упомя - нутых систем тепло-, хладо - и электроснабжения: полупроводниковых солнечных батарей, солнечных тепловых коллекторов, тепловых насосов. Авторы солнечного поселка в Краснодарском крае, например, уже сейчас работают над усовершенствованием автономных энергоустановок, которыми оборудованы дома этого поселка, с целью получить от солнца не только электричество, но и тепловую энергию для систем отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения этих
Домов.
Разнообразные солнечные установки могут быть расположены вокруг жилого дома и использоваться независимо друг от друга, хотя широкое применение преобразователей солнечного излучения в электрическую и тепловую энергию, грядущее в весьма недалеком будущем, требует, конечно, объединения этих устройств в едином функциональном энергетическом узле здания, который удобнее всего для экономии места и средств расположить на крыше или даже использовать вместо крыши здания. Эта важная проблема будет решена, когда будут созданы и пройдут испытания эффективные комбинированные фототермические коллекторы солнечного излучения.
Как уже упоминалось ранее, наиболее простую из таких конструкций представляет собой обычный плоский солнечный коллектор с каналами для прохождения теплоносителя — воздуха или воды, на световоспринимающей поверхности которого укреплена плоская полупроводниковая солнечная батарея. Именно такой конструктивный принцип лежал в основе создания солнечного дома в университете штата Делавэр (США), построенного и испытанного около двенадцати лет назад. Комбинированные фототермические коллекторы этого дома были выполнены из плоских тонкопленочных солнечных элементов на основе слоев сульфида кадмия, помещенных между двумя слоями стекла. За солнечными элементами располагались профили треугольного сечения, по которым продувался воздух. Отопление здания осуществлялось с помощью воздуха, нагретого за счет теплосъема с тыльной поверхности солнечных элементов. У этого фототермического коллектора был слишком велик уровень тепловых потерь (ведь защитное стекло на обеих поверхностях солнечных элементов обладает слишком большим коэффициентом излучения) и низкий КПД использованных солнечных элементов. Коэффициент усвоения солнечного излучения в описанном случае не превышал 50%:3% падающего на поверхность коллектора излучения Солнца превращалось в электроэнергию, 47% - в тепло.
В научных публикациях советских специалистов описаны различные варианты фототермических коллекторов, объединяющих в единой конструкции солнечные батареи и тепловые коллекторы. Среди разработанных и успешно испытанных в СССР фототермических коллекторов могут быть выделены три конструкции, наиболее удачные с точки зрения снижения оптических и тепловых потерь и в то же время достаточно надежные и долговечные придлительнойэксплуатации.
Первая из конструкций представляет собой плоский тепловой коллектор с каналами для прохода теплоносителя (вода, антифриз или воздух), выполненный из любых достаточно теплопроводных металлов (например, сплавов алюминия, стали, меди, латуни), на внешнюю поверхность которого вместо селективного покрытия наклеены солнечные элементы из монокристаллического, поликристаллического или аморфного полупроводникового материала. Коллектор снабжен, как обычно, внешним слоем из стекла, снижающим в основном конвективные потери. Между поверхностью солнечных элементов и внешним стеклом имеется воздушный зазор в несколько сантиметров, с тыльной стороны коллектора расположен слой теплоизоляции (минеральная вата, пенополиуретан). Снижению тепловых потерь излучением в данной конструкции способствует несколько технических решений:
1) на обращенную к солнечным элементам и коллектору сторону внешнего стекла может быть нанесено прозрачное в области солнечного спектра и в то время обладающее малым коэффициентом собственного теплового излучения селективное покрытие, созданное, например, на основе оксидов олова, индия или их смесей, станнатов кадмия или состоящее из слоистых структур, полученных чередованием полупрозрачных металлических пленок и диэлектрических слоев (например, сульфида цинка, полупрозрачных алюминия или серебра и снова сульфида цинка);
2) в качестве преобразователя солнечного излучения в электричество могут быть использованы не обычные солнечные элементы с диффузионным электронно-дырочным переходом внутри полупроводника, а солнечные элементы с расположенным на их поверхности барьером металл-полупроводник (барьер Шоттки) или барьером металл — туннельный диэлектрик-полупроводник, а также барьером, образованным с полупроводником прозрачной электропроводящей пленкой из оксидов олова или индия. В этом случае излучательная способность £ поверхности солнечных элементов определяется природой и толщиной полупрозрачного металлического слоя или прозрачной электропроводящей пленки и может быть уменьшена с 0,86-0,92 (величина, обычно характерная для солнечных элементов) до 0,1-0,3;
3) на поверхность солнечных элементов могут быть наклеены защитные стекла, на внешнюю сторону которых предварительно нанесен слой прозрачной электропроводящей пленки из оксидов олова, индия или их смесей, например толщиной 0,4-0,5 мкм и с удельным поверхностным слоевым сопротивлением не более 25—30 Ом на квадрат. В этом случае излучательная способность поверхности солнечных элементоов также снижается до значений менее 0,3.
Следует отметить, что весьма важным достоинством конструкции описанного фототермического коллектора является возможность замены ею настила крыши жилого дома, что, конечно, заметно уменьшает расходы на строительство. Суммарный коэффициент усвоения солнечного излучения таким коллектором может достигать 55—60%. Конструкция плоского фототермического коллектора может быть значительно облегчена и удешевлена, если вместо сравнительно тяжелого теплового коллектора из металлов или их сплавов использовать гибкий легкий коллектор на основе полимерных материалов, а внешний слой стекла заменить на прозрачную светостойкую пленку, например выполненную на основе фторсо - полимеров. В этом случае солнечные элементы должны быть, конечно, сделаны не из моно - или поликристаллических пластинок, а из тонких полупроводниковых пленок, например на основе сульфида кадмия, селенида меди и кадмия или аморфного кремния и его соединений с другими элементами.
Вторая из возможных конструкций фототермического коллектора выполнена на основе стеклянного трубчатого вакуумированного коллектора, у которого селективное покрытие на поверхности внутренней стеклянной или металлической трубки заменено на кристаллические или пленочные солнечные элементы с поверхностью, имеющей низкую излучательную способность. При металлической внутренней трубке в конструкции такого коллектора можно использовать тепловые трубы из металла (с сетчатым наполнителем и органическим или пароводяным теплоносителем внутри), представляющие собой устройства, способные практически без потерь передать тепловой поток с одного конца трубы на другой, причем их может разделять расстояние более 1 м. При применении тепловых труб вместо или внутри внутренней металлической трубки коллектора теплосъем осуществляется с концов тепловых труб, выведенных за пределы внешних стеклянных оболочек, что облегчает и упрощает конструкцию коллектора в целом, особенно если он состоит из нескольких десятков или сотен труб. Однако использование внутренних стеклянных трубок вместо металлических тоже имеет свои преимущества, превращая конструкцию в полностью стеклянную, свободную от дефицитного металла, и избавляя тех, кто эксплуатирует такие устройства, от необходимости бороться с коррозией металлов. При полностью стеклянном вакууми - рованном коллекторе теплоноситель проходит по внутренней стеклянной трубке, куда могут быть введены также направляющие поток теплоносителя полимерные трубки малого диаметра. Коэффициент усвоения солнечного излучения рабочей поверхностью вакуумированного фототермического коллектора достаточно высок — не менее 70—75%, однако у него имеется серьезный конструктивный недостаток — низкий коэффициент заполнения световоспринимающей площади, например в здании — площади крыши. Слишком много места (даже при плотном, близком друг к другу расположении стеклянных трубок) занимают вакуумирован - ные зазоры между внешней и внутренней трубкой. Этот недостаток вакуумиро - ванных фототермических коллекторов может быть преодолен нанесением на тыльную половину внутренней поверхности внешней стеклянной трубки отражающего слоя алюминия, который будет выполнять роль встроенного в коллектор концентратора солнечного излучения, направляющего к внутренней поглощающей излучение трубке дополнительное количество энергии. Такой концентратор солнечного излучения будет к тому же изолирован от воздействия неблагоприятных климатических факторов и на его поверхность не надо наносить защитные слои.
Разработана модификация вакуумированного фототермического коллектора, отличие которой от конструкции, рассмотренной выше, состоит в том, что солнечные элементы расположены не на поверхности внутренней трубки, а внутри нее, причем вся полость внутренней стеклянной трубки заполнена прозрачной светостойкой кремнийорганической жидкостью. Солнечные элементы генерируют электроэнергию, поступающую через электрические выводы коллектора к потребителям внутри жилого дома. Накопленное элементами тепло передается кремнийорганической жидкости, а от жидкости — теплоносителю (воде или антифризу), проходящему через жидкость по полимерным трубкам. Тепловое излучение от внутренней трубки в данной конструкции резко уменьшено благодаря нанесенному на ее поверхность селективному покрытию с малой излучательной способностью, одновременно прозрачному в спектральной области солнечного излучения.
Такая конструкция фототермического коллектора сложнее других, однако у нее имеется весомое достоинство: кремнийорганическая жидкость выполняет (до некоторой степени, конечно) обязанности аккумулятора тепла, сглаживая резкие скачки в выработке тепла, которые наблюдаются у коллекторов других типов при переменах погоды и изменениях освещенности (затенение солнца тучами).
Данный фототермический коллектор, разработанный с участием автора этих строк, успешно прошел натурные испытания, подтвердив характеристики, полученные при расчетах. Суммарный коэффициент усвоения солнечного излучения рабочей поверхностью такого коллектора при небольших расходах теплоносителя достигал 75-80%.
Необходимо также упомянуть, что стабильность характеристик солнечных элементов при работе в описанном коллекторе значительно повышена благодаря защитному действию инертной в химическом и электрическом отношении крем - нийорганической жидкости. Слой кремнийорганической жидкости над поверхностью солнечных элементов, как было обнаружено в ходе натурных испытаний, до некоторой степени играет в данной конструкции роль фокусирующей линзы, увеличивая выходную электрическую мощность, генерируемую элементами.
Следует указать, что технико-экономические показатели всех трех типов фототермических коллекторов могут быть существенно улучшены, если они будут снабжены дешевыми и долговечными внешними концентраторами солнечной энергии, что позволит значительно уменьшить площадь, которую должен занимать коллектор для выработки всей необходимой жилому дому тепловой и электрической энергии.
Расчетные оценки показывают, что стоимость фототермических коллекторов в ближайшие годы будет на 85-90% определяться себестоимостью солнечных батарей, в связи с чем экономические прогнозы, сделанные для наземных солнечных батарей массового народнохозяйственного применения (для электропитания электронных приборов, радиоприемников, магнитофонов, часов, калькуляторов), могут быть вполне обоснованно отнесены и к фототермическим коллекторам. Разработчикам технологии изготовления фототермических коллекторов следует стремиться к максимальному снижению веса, увеличению КПД, улучшению энергомассовых и эксплуатационных характеристик солнечных батарей, автоматизации их производства и, конечно, улучшению и удешевлению конструкции. Имеются все основания для вывода: следующее десятилетие нашего века станет временем широкомасштабных экспериментов по созданию и практическому использованию как крупных, так и небольших жилых объектов с системами автономного энергообеспечения на основе тепловых и фототермических солнечных коллекторов.
[1] Точнее было бы назвать эти установки системами не открытого, а разомкнутого типа, ибо в них отсутствует контур непрерывной циркуляции воды.(Примеч. ред.)
[2] следует выбирать водонагреватель, в котором возможна подача горячей воды сверху;